一種機(jī)載緊湊式液冷單元的研究*

王 健

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

有源相控陣?yán)走_(dá)開辟了機(jī)載火控雷達(dá)的新時(shí)代，較傳統(tǒng)的機(jī)械掃描雷達(dá)，其目標(biāo)探測(cè)性能、目標(biāo)容量、可靠性等多項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)大幅提升。以美國(guó)F-18飛機(jī)使用的有源相控陣APG-79火控雷達(dá)為例，與機(jī)械掃描雷達(dá)APG-73相比，對(duì)空中目標(biāo)的探測(cè)距離前者為后者的3倍，探測(cè)和跟蹤的目標(biāo)數(shù)量為2倍, 作戰(zhàn)性能大幅提升[1]。因此，為適應(yīng)未來空戰(zhàn)的需求，為三代戰(zhàn)機(jī)改換裝更加先進(jìn)的有源相控陣?yán)走_(dá)，成為世界上很多國(guó)家非常迫切的現(xiàn)實(shí)需求[2]。

三代飛機(jī)使用的機(jī)械掃描雷達(dá)，功率密度低，普遍采用風(fēng)冷散熱形式。而有源相控陣?yán)走_(dá)的功率密度大幅提升，熱流密度達(dá)到20 W/cm2以上，采用液冷是解決雷達(dá)散熱問題的最有效方式，世界各國(guó)裝備的機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)均采用液冷形式[3]。如美國(guó)F16A/B戰(zhàn)機(jī)在升級(jí)成F16C/D(Block60)后，使用的APG-80有源相控陣?yán)走_(dá)就采用了液冷散熱形式[4]。

火控雷達(dá)安裝在飛機(jī)的機(jī)頭位置，空間狹小，重量受限，對(duì)設(shè)備體積、重量提出了苛刻要求。美國(guó)Meggitt Defense System公司研制過一款機(jī)載全鋁鑄造液冷單元用于激光設(shè)備的散熱[5]，但換熱量小、供液流量和壓力低，無法用于功率量級(jí)較大的相控陣?yán)走_(dá)。國(guó)內(nèi)也研制過類似的機(jī)載液冷系統(tǒng)和液冷單元[6-7]，但集成度低，未經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)和試飛驗(yàn)證。因此，研制一種集成度高、結(jié)構(gòu)緊湊、換熱效率高的液冷單元，實(shí)現(xiàn)原位換裝，是三代飛機(jī)換裝有源相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵技術(shù)途徑之一。

1 設(shè)計(jì)需求

針對(duì)上述需求和困難，本文開展了集成化、緊湊式、高效液冷單元的研究。該研究可以為我國(guó)現(xiàn)役大量的三代飛機(jī)換裝有源相控陣火控雷達(dá)提供參考，釋放換裝工程中的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

該液冷單元的設(shè)計(jì)需要考慮多方面的因素，要能夠滿足雷達(dá)的液冷散熱需求、通用重量特性要求，要實(shí)現(xiàn)集成化、小型化、輕量化，要能夠適應(yīng)機(jī)載惡劣的環(huán)境條件，還要能夠克服飛機(jī)倒飛、側(cè)飛、翻轉(zhuǎn)等特殊飛行姿態(tài)對(duì)冷卻系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來的影響，設(shè)計(jì)難度大。

2 多功能集成設(shè)計(jì)

目前，常規(guī)液冷單元主要包括：儲(chǔ)水箱、膨脹罐、水泵、過濾器、換熱器、旁通閥、排氣裝置、供液接頭、回液接頭、溫度傳感器、壓力傳感器、旁通管路、若干連接管路、若干閥門以及用于固定的結(jié)構(gòu)底板和框架等。常規(guī)液冷單元與被冷卻的電子設(shè)備組成一個(gè)閉式循環(huán)系統(tǒng)，工作原理如圖1所示。

圖1 常規(guī)液冷單元工作原理圖

為保證液冷單元安全可靠運(yùn)行，常規(guī)液冷單元還要設(shè)置安全閥、補(bǔ)液口、排液口、截止閥等設(shè)備。常規(guī)液冷單元設(shè)備眾多，重量大，占用空間多，如果據(jù)此設(shè)計(jì)三代飛機(jī)換裝用液冷單元，將無法滿足使用要求。

為此，本文研制的液冷單元采用了多功能集成化設(shè)計(jì)的思路，通過合理的組合，將多個(gè)功能設(shè)備集成為一個(gè)設(shè)備，以減少空間和重量，如圖2 虛線框所示。

圖2 多功能集成設(shè)計(jì)示意圖

膨脹儲(chǔ)水箱具有容納冷卻液、定壓膨脹功能，內(nèi)置有彈簧活塞裝置，用于平衡系統(tǒng)內(nèi)的冷卻液由于環(huán)境溫度差異帶來了的體積變化，同時(shí)將系統(tǒng)背壓維持在一定的范圍內(nèi)，確保飛機(jī)在倒飛、翻滾等特殊飛行姿態(tài)下，水泵能夠正常運(yùn)行，如圖3所示。該膨脹儲(chǔ)水器設(shè)計(jì)了溫壓一體傳感器可同時(shí)采集溫度、壓力2個(gè)信號(hào)，減少了傳感器的數(shù)量；過濾器采用快卸自封結(jié)構(gòu)，取消了過濾器兩端的閥門；綜合底板內(nèi)部集成了5條流道，實(shí)現(xiàn)膨脹儲(chǔ)水箱、水泵、過濾器、換熱器等主要設(shè)備的連通，節(jié)省了管路占用空間和重量。

圖3 膨脹儲(chǔ)水箱結(jié)構(gòu)示意圖

本文研制的液冷單元簡(jiǎn)化了旁通管路設(shè)計(jì)，在水泵內(nèi)部設(shè)計(jì)了彈簧式壓力調(diào)節(jié)器，當(dāng)水泵出水口壓力超過門限值時(shí)，活門自動(dòng)打開實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)旁通，原理如圖4所示。

圖4 水泵旁通原理圖

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真計(jì)算

本文研制的液冷單元主要設(shè)備包括：膨脹儲(chǔ)水罐、水泵、過濾器、換熱器、傳感器和綜合底板等設(shè)備，還設(shè)置了安全閥、漏液收集器、快速接頭等。液冷單元通過綜合底板上的定位銷、松不脫螺釘與飛機(jī)剛性固定，并實(shí)現(xiàn)與飛機(jī)供風(fēng)系統(tǒng)的密封連接。液冷單元設(shè)置的漏液收集器，用于收集安全閥排出或水泵滲出冷卻液，防止冷卻液隨意排放造成隱患，同時(shí)便于觀察和維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。液冷單元結(jié)構(gòu)和設(shè)備布局如圖5所示。

圖5 液冷單元設(shè)備組成示意圖

為提高換熱器空氣側(cè)的換熱效率，在本液冷單元設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)進(jìn)風(fēng)口的靜壓腔進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，使換熱器的風(fēng)速分布盡量一致，提高換熱效率，換熱器內(nèi)部風(fēng)速分布如圖6所示。

圖6 換熱器截面風(fēng)速示意圖

換熱器采用逆叉流鋁合金板翅式換熱器，液側(cè)兩流程，空氣側(cè)單流程。液側(cè)的翅片節(jié)距b1=1.7 mm，波高h(yuǎn)1=2 mm，波厚δ1=0.2 mm，空氣側(cè)的翅片b2=2 mm，波高h(yuǎn)2=4.7 mm，波厚δ2=0.15 mm。經(jīng)過校核計(jì)算，換熱效率η=85.4%，換熱器量超過5 600 W，滿足設(shè)計(jì)要求。

通過對(duì)整個(gè)液冷單元的結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真可知，液冷單元在豎直方向加速度量值條件下，具有最大應(yīng)力為212 MPa，在綜合底板與定位銷的連接位置，如圖7所示。而底板材料為7A09，屈服強(qiáng)度為410 MPa，超過最大應(yīng)力，因此滿足強(qiáng)度要求。

圖7 液冷單元整機(jī)強(qiáng)度分析云圖

膨脹儲(chǔ)水箱是液冷單元的關(guān)鍵設(shè)備之一。為降低重量，膨脹儲(chǔ)水箱采用了薄壁、柱狀結(jié)構(gòu)形式，在其外壁設(shè)置了環(huán)肋，以加強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。液冷單元系統(tǒng)的最大壓力為1.5 MPa，在安全系數(shù)1.5的條件下對(duì)膨脹儲(chǔ)水箱進(jìn)行力學(xué)分析，仿真結(jié)果表明殼體最大應(yīng)力值為100 MPa，如圖8所示，遠(yuǎn)低于膨脹儲(chǔ)水箱所使用的5A06鋁合金材料的屈服強(qiáng)度350 MPa，滿足產(chǎn)品使用要求。

圖8 膨脹儲(chǔ)水箱結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分布示意圖

按照設(shè)計(jì)需求，液冷單元及雷達(dá)整改系統(tǒng)冷卻液為3.5 kg，要求膨脹儲(chǔ)水箱容積不小于0.5 L、體積補(bǔ)償量不小于0.2 L。本文液冷單元設(shè)計(jì)的膨脹儲(chǔ)水箱容積約為0.6 L，水箱內(nèi)的活塞直徑為75 mm，活塞幾何系數(shù)K為0.87，活塞截面A為0.004 4 m2，正常工作時(shí)系統(tǒng)背壓P約為0.1 MPa，體積補(bǔ)償設(shè)計(jì)值為0.25 L，因此活塞壓力為：

Fh=KAP=383 N

膨脹儲(chǔ)水箱的彈簧采用1Cr18Ni9材料，相關(guān)參數(shù)如下：

彈簧鋼絲直徑：d=5 mm；

彈簧外徑：Dw=65 mm；

彈簧有效圈數(shù)：n=5；

壓縮量：L=67 mm；

自由長(zhǎng)度：H0=100 mm；

壓縮后長(zhǎng)度：H1=33 mm；

節(jié)距：t=18 mm。

通過柱狀彈簧的計(jì)算公式可知，彈簧的壓力：Ft=392 N。彈簧壓力與補(bǔ)償體積要求的活塞壓力383 N基本一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 性能與試驗(yàn)

本文研制的液冷單元對(duì)外換熱能力大于5 500 W，外形尺寸為220 mm×210 mm×200 mm，質(zhì)量約為15.8 kg，采用乙二醇冷卻液，額定供液流量600 L/h，額定供液壓力為0.5 MPa，耗電量為500 W，順利通過了-55 ℃～70 ℃高、低溫儲(chǔ)存和工作試驗(yàn)以及苛刻的溫度-高度、濕熱、振動(dòng)、沖擊和加速度試驗(yàn)。

美國(guó)F16C/D戰(zhàn)機(jī)APG-80雷達(dá)使用的液冷設(shè)備采用分散安裝形式，設(shè)備量大，連接管路復(fù)雜，占用較大空間，而本文研制的液冷單元，實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)，設(shè)備少、體積小、重量輕，可整體拆卸換裝，維護(hù)方便快捷。

美國(guó)Meggitt Defense System公司研制的液冷單元與本文研制的液冷單元相比(折算成單位換熱量和同等供液溫差)，兩者的體積重量相當(dāng)，但后者的供液流量和供液壓力達(dá)到了前者的2倍以上。

文獻(xiàn)[7]中的一種超小型液冷系統(tǒng)的換熱量為2 500 W，外形尺寸為200 mm×250 mm×100 mm，質(zhì)量約10 kg，耗電量為300 W。與之相比(折算成單位換熱量)，本文研制的液冷單元供液壓力更高，而體積減小約8.6%，重量減小約26%，能效比提高約25%，綜合使用性能更加優(yōu)異。本文研制的液冷單元與其他同類液冷單元的指標(biāo)對(duì)比如表1所示。

表1 液冷單元性能指標(biāo)對(duì)照表

5 結(jié)束語(yǔ)

該液冷單元已經(jīng)通過了試飛測(cè)試，性能穩(wěn)定，安全可靠，各項(xiàng)性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，為我國(guó)三代飛機(jī)換裝有源相控陣?yán)走_(dá)，提供了一條可靠的技術(shù)途徑。該液冷單元對(duì)機(jī)載、彈載條件下的液冷單元、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，也具有現(xiàn)實(shí)的借鑒意義。